基于粒形分析的再生细骨料颗粒特性和制备砂浆性能研究

石艳柯，张洛兵，王宇航，刘巍巍，侯荣彬，马军涛

(1.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州 450045;2.黄河水利科学研究院,水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，郑州 450003)

0 引 言

随着城市发展和住房建设的加快，工程对混凝土的需求越来越大，而对于混凝土中的细骨料组分来说，天然河砂开采已经导致了一系列环境和社会安全问题，亟需找到替代品。与此同时，旧建筑物拆除产生废弃混凝土的处理问题同样迫切。由此，如可将废弃混凝土经破碎后，将其中符合细骨料要求的颗粒分选后作为再生细骨料(recycled fine aggregate,RFA)使用，则具有显著的经济和社会意义[1-2]。

对用于砂浆和混凝土中的骨料来说，骨料的粒形与其颗粒特性密切相关。对于不同骨料来说，其圆度、轴向系数、球度等参数可用来表征骨料的棱角性和球形度，并直接影响骨料的堆积状态[3-6]。骨料粒形对水泥砂浆和混凝土的性能有显著影响[7-9]，魏艺博等[10]对比了机制砂和天然砂制备砂浆的性能，表明棱角性越强，流动性越差，而抗压强度有所提高。邢心魁等[11]对粗骨料的研究同样表明非圆形骨料混凝土力学性能更佳。

再生骨料制备水泥砂浆和混凝土方面已有大量研究，但目前多集中于再生粗骨料方面。研究[12-14]表明，再生粗骨料颗粒形状对混凝土性能有显著的影响，其颗粒形状的差异多来自其破碎过程中表面砂浆的附着。刘天杰等[15]、苏栋等[16]使用数字图像分析方法对再生粗骨料的形貌进行分析，表明接近球体形状指数颗粒效果更佳。与此同时，再生粗骨料生产过程中产生的再生细骨料质量占总量40%左右[17]，由于其颗粒较小，表面砂浆附着较难去除，其颗粒粒形相对更为复杂[18]。由此，要将再生细骨料在砂浆或混凝土中得到应用，需要对其颗粒形状以及不同颗粒形状造成的颗粒特性差别进行研究，探明其在水泥混凝土体系中的作用机理，进一步推广再生细骨料的应用。

为了分析再生细骨料颗粒特性对水泥砂浆和混凝土性能的影响，本试验使用废弃混凝土制备再生细骨料，并与同粒级的天然河砂、标准砂进行对比，使用Occhio Scan700粒度粒型分析仪分析不同骨料的颗粒粒形差异，基于其粒形对比不同骨料颗粒特性的差别，并在此基础上制备水泥砂浆，分析不同骨料对水泥砂浆流动度、强度和应力-应变曲线的影响，探讨再生细骨料在水泥砂浆中应用的可行性。

1 再生细骨料的制备与形貌分析

1.1 再生细骨料的制备

本试验所使用的废弃混凝土为实验室废弃混凝土梁，经过人工锤击破碎后，使用河南中科工程技术有限公司生产的150×250型号颚式破碎机对破碎后的混凝土块进行二次破碎处理。将破碎后的材料使用人工筛分的方法，取其中粒径区间为0.16～2.36 mm的部分，即为本试验所使用的再生细骨料。该再生细骨料的颗粒级配曲线如图1所示。

图1 再生细骨料级配曲线Fig.1 Gradation curves of recycled fine aggregates

为了对比粒径分布相同的再生细骨料与其他骨料的颗粒特性差别，试验取标准砂和天然河砂同时进行筛分，以得到与再生细骨料相同的级配曲线，并对其颗粒特性和制备砂浆性能开展研究，制备得到不同的细骨料如图2所示。

图2 试验所用的三种不同细骨料Fig.2 Three different fine aggregates used in the experiment

1.2 不同细骨料形貌观察和钝度分析

试验使用Occhio Scan700粒度粒型分析仪对三种不同细骨料的粒度分布和颗粒形貌进行分析，以此研究再生细骨料与其他细骨料的颗粒粒形差别。该分析仪的原理是采用Callisto3D图形分析软件对扫描图像进行颗粒形貌分析。图3为不同细骨料颗粒的二维形貌。

图3 不同细骨料的颗粒形貌Fig.3 Particle morphology of different fine aggregates

由形貌分析可以看出，相比于标准砂和天然河砂，再生细骨料棱角性较大，狭长颗粒更多，整体呈现不规则状态。为了对其颗粒粒形进行量化分析，以软件为基础，对其钝度[19]进行计算，即为在颗粒物投影轮廓的每个突起部位画内切圆，将其直径与颗粒最大内切圆直径相除后取其平均值，表示颗粒表面的尖锐程度，钝度越小，则颗粒表面越尖锐，圆形的钝度为100%。计算方法如公式(1)所示：

(1)

式中：B为钝度；di为第i个突起部位内切圆直径；Dn为颗粒最大内切圆直径；N为颗粒投影轮廓上突起的数量。

针对三种不同细骨料中不同钝度颗粒占总体积的等效体积百分比，得到其钝度分布的累积曲线和分计曲线，如图4所示。由图4(b)中可以看出，在级配相同的情况下，再生细骨料峰值所对应钝度最小为65%，占比接近25%，标准砂和天然河砂分别对应的钝度峰值在70%和85%左右。由此，根据累计分计曲线可以得出，标准砂中大多数为钝度较高的颗粒，颗粒棱角较少，更接近于球体，天然河砂钝度相对较小，表明其中球形颗粒的数量相对较少。而对于再生细骨料来说，颗粒中有较多的棱角形颗粒，边界相对尖锐。

图4 不同细骨料的钝度等效体积分布曲线Fig.4 Equivalent volume distribution curves of bluntness of different fine aggregates

1.3 不同细骨料形貌参数表征与分析

为了进一步分析三种不同细骨料的形貌参数，分析在不同粒径区间中不同骨料的粒形分布，试验采用数字图像处理方法对细骨料形貌进行定量描述。本试验主要形貌参数为长宽比、球度、坚固度，三个参数的计算方法分别如下：

长宽比：表征颗粒形态的参数，判断单颗粒的尺寸形状，长宽比越接近100%，则该颗粒的长宽越接近；长宽比越小，则该颗粒的形状越狭长，计算方法如公式(2)所示：

Asp=XF,min/XF,max

(2)

式中：Asp为长宽比；XF,max为最大弗雷特直径；XF,min为最小弗雷特直径。

坚固度：坚固度是颗粒整体凹度的度量描述，用于反映颗粒表面是否存在凹凸及凹凸的程度，在一定程度上可以反映颗粒比表面积大小，坚固度越接近100%，则凸包面积与颗粒实际面积越接近，颗粒轮廓内凹的部分就越少，计算方法如公式(3)所示：

S=A/Ac

(3)

式中：S为坚固度；Ac为颗粒边界凸包的面积；A为颗粒边缘等效平面面积。

球度：球度是指颗粒接近球体的程度，用于反映颗粒三度空间的形状，三轴相等者球度最高，片状及柱状颗粒球度最低。计算方法如公式(4)所示：

Q=Vp/Vcs

(4)

式中：Q为瓦尔德球度；Vp为颗粒实际容积；Vcs为颗粒极小外接球容积。

试验使用Occhio Scan700粒度粒型分析仪得到的数据，并结合Callisto3D图形分析软件进行计算，得到三种细骨料在不同粒度区间的长宽比、坚固度、球度数据如图5所示。

由三种不同细骨料的平均长宽比数据可以看出，再生细骨料在0.3 mm以上的粒径区间内，均表现出较小的长宽比。结合级配分计筛余曲线，对于级配占比最大1.18～2.36 mm粒径范围内，标准砂的平均长宽比为75%，再生细骨料仅为67%。这表明再生细骨料中粒径较小的颗粒长宽比与标准砂、天然河砂相对差距较小，而对于0.3 mm以上的颗粒即表现出更小的长宽比。

对于平均坚固度数据来说，其规律与长宽比曲线类似，再生细骨料在0.3 mm以上的粒径范围内均表现出更小的坚固度。这表明再生细骨料在破碎过程中，表面附着的砂浆未能被去除，导致其表面出现了一定的凹凸现象，从而使其坚固度降低。

通过观察图5(c)中不同细骨料的球度对比，在级配占比最大的1.18～2.36 mm粒径范围内，同级配标准砂球度达到83%，天然河砂为80%左右，而再生细骨料为73%左右，表明再生细骨料在破碎后，相比于天然河砂，同样因为其表面附着砂浆而导致其颗粒球度较小，而标准砂和天然河砂更接近于球形颗粒。

基于不同细骨料颗粒的形貌分析数据，再生细骨料相对来说有棱角性强、球形度较差、凸包面积与实际相差大，表面较为粗糙，比表面积大等特点，如将其作为骨料进行使用，将影响其堆积密度、压碎值和吸水率等颗粒特性指标，进而对水泥砂浆和混凝土的性能造成影响。因此，本试验以颗粒形貌分析为基础，对三种不同细骨料的颗粒特性进行分析。

2 再生细骨料的颗粒特性分析

2.1 再生细骨料的堆积密度

水泥砂浆和混凝土的性能与其内部骨料的堆积状态密切相关。骨料粒形合适且级配合理时，混凝土中空隙率小，在相同的水泥浆用量时可显著提高混凝土的密实度。

根据《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)堆积密度测试标准，所选骨料粒径均在0.16～2.36 mm之间，骨料烘干后，通过漏斗将骨料缓慢倒入0.5 L容量圆柱形金属筒呈锥形状态后停止加料，用直尺刮平，测量堆积密度，每组试验5次，取其平均值。

试验将再生细骨料与同级配标准砂按照一定比例混合(再生细骨料占总骨料的质量分数从0%～100%)，分析不同颗粒形貌骨料组成体系的松散堆积密度。测试结果如图6所示。

图6 混合骨料的松散堆积密度Fig.6 Loose bulk density of mixed aggregates

根据堆积密度结果可以看出，由于再生细骨料整体棱角性较大，且表面凹凸粗糙，当再生细骨料质量掺量为100%，即全部为再生细骨料时，其松散堆积密度在1 100 kg/m3以下，相比来说同级配标准砂的松散堆积密度达到了1 600 kg/m3左右，且随着再生细骨料掺量的增加，松散堆积密度不断减小，表明再生细骨料较为粗糙的粒形特点使其在堆积中产生了较多的空隙。

2.2 再生细骨料的压碎值

骨料的压碎值是混凝土强度的重要影响因素，而在水泥砂浆中，细骨料的压碎值对砂浆强度有直接影响。本试验参考《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)中压碎值的测定方法，对三种不同细骨料的压碎值进行测试，测试结果如表1所示。

表1 不同细骨料压碎值Table 1 Crushing value of different fine aggregates /%

根据测试结果可以看出，在级配相同的情况下，再生细骨料的压碎值显著低于同级配的天然河砂和标准砂，压碎值达到了天然河砂的两倍以上，强度显著降低。由于再生细骨料是由废弃混凝土破碎而得到，在破碎过程中骨料内部产生了部分微裂纹，其表面附着的砂浆强度也相对较低。同时，根据颗粒粒形的测试结果，再生细骨料的钝度、长宽比、坚固性和球度均相对较低，其相对狭长、凹凸、粗糙的特性均使其在受压过程中更容易被破坏，从而表现出较大的压碎值。

2.3 再生细骨料的吸水率

骨料的吸水率对水泥砂浆和混凝土的工作性能有较大影响，吸水率较大的骨料会显著影响混凝土的流动性，导致混凝土搅拌不均匀而使其强度和耐久性下降。本试验参考《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)的规定，对不同细骨料的吸水率进行测试，测试结果如表2所示。

表2 不同细骨料吸水率(质量分数)Table 2 Water absorption rate of different fine aggregates (mass fraction) /%

根据测试结果可以看出，使用废弃混凝土破碎后制备的再生细骨料吸水率远远大于同级配的天然河砂和标准砂，达到了11%以上。从破碎过程来说，同样由于其表面附着旧水泥砂浆的孔隙率较大，相比于骨料本身可吸附更多的水，导致再生细骨料的吸水率相对较高。

3 再生细骨料制备水泥砂浆的性能分析

3.1 试验原材料与配比

试验所使用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成和物理力学性质如表3和表4所示。试验用水为自来水。

表3 水泥的主要化学组成(质量分数)Table 3 Main chemical composition of cement (mass fraction) /%

表4 水泥的物理力学性能Table 4 Physical and mechanical properties of cement

试验分别使用再生细骨料、同级配标准砂、同级配天然河砂作为细骨料，由于全部使用再生细骨料制备水泥砂浆时吸水率过大导致无法成型，因此使用再生细骨料部分替代标准砂开展试验(本试验质量替代量为20%、30%和40%)，并与标准砂和天然河砂制备的砂浆进行对比。试验水灰比为0.55，配合比如表5所示，参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》使用跳桌测试水泥砂浆的流动度，并参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》制备水泥砂浆试块，养护至3 d、7 d和28 d时测试其抗折强度和抗压强度，并在28 d龄期时对其应力-应变曲线进行测试和分析。应力-应变试验采用加载方式为位移控制，加载速率为1 mm/min。通过万能压力试验机的两个外接位移计、压力传感系统，与之相连的计算机采集数据，由计算机记录水泥砂浆试件受压时位移时程曲线。分别测量同级配标准砂水泥砂浆、20%、30%、40%再生细骨料水泥砂浆单轴受压应力-应变曲线。

表5 不同掺量再生细骨料取代同级配标准砂Table 5 Replacement of the same grade standard sand with different content of recycled fine aggregates

3.2 再生细骨料制备砂浆流动度分析

不同配比制备水泥砂浆的流动度数据如图7所示。

图7 不同水泥胶砂流动度 Fig.7 Fluidity of different cement mortars

由流动度测试结果可以得出，当水灰比为0.55时，标准砂和天然河砂的流动度相当，当再生细骨料替代量为20%时，流动度并无明显下降，但当再生细骨料替代量达到30%以上时，流动度下降了20 mm以上。根据不同细骨料颗粒特性测试结果，再生细骨料由于粒形不规则，在流动时摩擦力较大，同时在水泥砂浆体系中堆积密度小，需要更多水泥浆体填充空隙帮助其流动。因此，当再生细骨料替代量过大时，水泥砂浆的流动度有显著降低。

3.3 再生细骨料制备水泥砂浆的强度分析

不同配比制备水泥砂浆经过3 d、7 d和28 d养护后，测试其抗压强度和抗折强度，测试结果如图8所示。

图8 不同配比水泥砂浆的强度测试结果Fig.8 Strength test results of cement mortar with different proportions

根据图8(a)强度测试结果可以看出，使用再生细骨料替代部分同级配标准砂，当替代量不大于30%时，不同龄期的抗压强度并无明显下降，替代量30%试样的28 d强度反而有一定提升，但当掺量为40%时，抗压强度则表现出明显下降。

再生细骨料粗糙多棱角的表面在水泥浆体中可与水化产物的结合更加紧密，同时水泥砂浆中再生细骨料本身附着未水化的旧水泥砂浆，在养护过程中有可能继续水化而提供部分强度相，用来替代标准砂时可体现出更高的抗压强度。同时再生细骨料表面吸水的特性使其后期释放水分，促进后期水化，以提高水泥砂浆的抗压强度。但如果再生细骨料替代量过大，早期吸水使水泥砂浆流动度大幅降低，使砂浆试样难以均匀成型，则会显著降低水泥砂浆试样的强度。

3.4 再生细骨料制备水泥砂浆的应力-应变曲线分析

针对同级配标准砂以及不同再生细骨料替代量的水泥砂浆进行单轴受压试验，测得28 d应力-应变曲线如图9所示，图10为不同配比试样的峰值应变对比。

图9 不同水泥砂浆应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curves of different cement mortars

图10 不同水泥砂浆峰值应变Fig.10 Peak strain of different cement mortars

根据测试结果可以看出，随着再生细骨料掺量的增加，应力-应变曲线峰值应力减小。弹性阶段，未替代试样和20%再生细骨料替代试样弹性模量差别不大，但是当替代量达到30%以上时，弹性模量和峰值应力均有显著降低。对于下降段来说，替代量不大于30%时不同曲线的下降趋势较为接近，但替代量达到40%后下降趋势更加明显，表明此时试样更易发生脆断。

结合再生细骨料颗粒形貌分析结果，随着再生细骨料掺量的增加，骨料整体棱角性增强，压碎值增大，堆积密度降低导致砂浆孔隙率增加，使其在单轴受压状态下的峰值应力不断降低。而骨料之间的机械咬合作用、旧水泥砂浆水化、后期释水等因素又对强度发展有利，使少量再生细骨料替代的砂浆试件在达到峰值应力后表现出良好的塑性变形能力。但当再生细骨料替代量过大时，再生细骨料自身特性占据主导作用，导致其塑性变形能力下降明显。

4 结 论

本文使用废弃混凝土制备再生细骨料，在颗粒粒形分析的基础上对其颗粒特性以及制备水泥砂浆的性能进行研究，得到主要结论如下：

(1)废弃混凝土制备再生细骨料表面相对粗糙且存在较多棱角，导致其钝度、长宽比、坚固度和球度均相对较低；

(2)再生细骨料相比于同级配标准砂和天然河砂，其压碎值和吸水率显著增加，与标准砂混合后，松散堆积密度也有显著下降；

(3)使用再生细骨料替代标准砂制备水泥砂浆时，替代量达到30%则砂浆流动度有显著下降；

(4)使用不大于30%再生细骨料替代量制备的水泥砂浆试样抗压强度无明显下降，但替代量达到40%时，抗压强度和峰值应力均有显著下降。